天然氣脫碳系統(tǒng)運行中存在的問題及改進措施

柯 真,梁其奮,吳桂波

(海洋石油富島有限公司， 海南東方 572600)

海洋石油富島有限公司化肥一部合成氨裝置采用日本千代田ICI-AMV工藝，以天然氣為原料，無水液氨生產(chǎn)能力為1 000 t/d[1]。該裝置自1996年10月投產(chǎn)以來，總體運行穩(wěn)定。2016年原先采用的原料合同到期后，選擇東方1-1天然氣作為原料氣來滿足生產(chǎn)需求，并對相應工藝及設備進行了技術改造?？紤]到東方1-1氣田的天然氣為貧氣(CO2體積分數(shù)為20%、N2體積分數(shù)為16%、CH4體積分數(shù)為60%～64%，熱值約為5 560 kJ/m3)，化肥一部新增了一套處理量為168×104m3/d(基準態(tài)為20 ℃、101.325 kPa)的脫碳裝置。該裝置采用先進的N-甲基二乙醇胺(MDEA)法[2]對天然氣進行脫碳處理，以滿足轉(zhuǎn)化系統(tǒng)對天然氣熱值、組分的要求。

MDEA法采用一段吸收、一段再生流程，即原料氣進入吸收塔，富液進入閃蒸塔和再生塔完全再生，再生后的胺液經(jīng)換熱器冷卻后進入吸收塔。此工藝流程簡單、再生溫度低、動力消耗小、運行穩(wěn)定可靠，設計處理量為70 000 m3/h，CO2體積分數(shù)小于5%。

1 存在的問題

脫碳系統(tǒng)自2016年10月投入使用至今，運行穩(wěn)定，經(jīng)性能考核，完全滿足生產(chǎn)需求，但其間也暴露出一些問題。為使脫碳系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運行，逐步進行了一些改進措施。

1.1 脫碳氣出口溫度高

由于脫碳裝置脫碳氣出口溫度較高(設計為36 ℃，實際最高溫度為43 ℃)，天然氣帶水情況嚴重，天然氣壓縮機前分離罐冷凝液質(zhì)量大大增加，每天約為50 kg，MDEA占其質(zhì)量的0.2%[3]。這不僅損失了系統(tǒng)的胺液，還會對后系統(tǒng)機組設備及管線造成一定的危害。

設計單位根據(jù)東方1-1天然氣氣源條件進行系統(tǒng)設計(設計溫度為20 ℃)，未考慮海南氣候及長距離管線輸送的影響，造成脫碳入口天然氣溫度比原設計值高，脫碳氣出口溫度也相應較高。

1.2 再生塔中部升氣管變形嚴重

2018年3月，首次開罐檢查再生塔，發(fā)現(xiàn)中部升氣管變形嚴重(見圖1)，原設計升氣管氣相通道寬度為150 mm，變形后最小寬度不足50 mm。

圖1 升氣管變形

打開升氣管后發(fā)現(xiàn)焊接接頭出現(xiàn)斷裂口，尤其是升氣管底部變形損壞嚴重,見圖2。

圖2 升氣管斷裂

再生塔中部升氣管設計總高度為4 500 mm，生產(chǎn)運行過程中，再生塔中部液位高度控制范圍為1 500～3 200 mm，正常值為2 500 mm。經(jīng)統(tǒng)計,系統(tǒng)正常運行時,實際液位最高不超過2 500 mm，且基本控制在1 500 mm，排除工藝現(xiàn)場操作原因。

升氣管設計材質(zhì)為2 mm厚的304不銹鋼，升氣管變形與材質(zhì)厚度偏薄導致強度不夠有關。

1.3 機械過濾器失效

2017年7月停車檢修和2018年3月大修更換濾芯時，均發(fā)現(xiàn)機械過濾器失效，其內(nèi)部濾芯端蓋發(fā)生錯位(見圖3)，部分端蓋橡膠墊片被擠出(見圖4)，甚至有濾芯封頭濾布崩開現(xiàn)象。

圖3 濾芯錯位

觀察現(xiàn)場后發(fā)現(xiàn)：原濾芯固定方式不穩(wěn)，在壓力高的情況下可能晃動；濾芯端蓋與濾芯之間固定不牢靠，造成端蓋發(fā)生錯位、橡膠墊片被擠出，導致過濾作用失效。

圖4 端蓋橡膠墊片被擠出

1.4 貧液泵入口管線振動大

貧液泵是脫碳裝置的關鍵設備，出口流量與系統(tǒng)跳車帶聯(lián)鎖，1開1備。2017年3月，貧液泵15P001A入口管線振動大，機泵無法運行，計劃檢修處理。但由于該泵出口切斷閥內(nèi)漏，設備無法交出檢修，故貧液泵一直處于停備狀態(tài)。

2017年7月裝置停車檢修，拆卸貧液泵15P001A入口管線，發(fā)現(xiàn)泵體入口的2片法蘭錯位嚴重，法蘭螺栓不能穿過法蘭螺栓孔。

該泵從2016年10月投用以來，入口管線就出現(xiàn)振動，但不明顯，機泵能運行；隨著管道受壓力和溫度的影響，原始安裝存在的應力得以釋放，加大了管道的振動，導致機泵無法運行。

2 改進措施

2.1 降低脫碳氣出口溫度

在原料氣換熱器15-E001與產(chǎn)品氣分離器15-F002之間安裝產(chǎn)品冷卻器15-E007(見圖5)，降低出口天然氣溫度，改善天然氣帶水的工況。

15-C001—吸收塔；15-E001—原料氣換熱器；15-F001—閃蒸氣吸收塔；15-F002—產(chǎn)品氣分離器；15-E007—產(chǎn)品冷卻器。

2.2 改進再生塔中部升氣管結(jié)構(gòu)

2018年3月進行大修期間，發(fā)現(xiàn)再生塔中部升氣管變形、斷裂，立即聯(lián)系原供貨單位。被告知加厚鋼板壁的方案需1個月的供貨期，故在時間上不能滿足大修要求。

供貨單位現(xiàn)貨鋼板厚度為2 mm，與原鋼板壁厚一樣。通過結(jié)構(gòu)有限元分析，建立仿真模擬，對再生塔升氣管工況進行重新計算，決定在再生塔中部升氣管氣相通道側(cè)添加支撐筋板，即每一節(jié)升氣管加3根角鋼(40 mm×3 mm)支撐以提高升氣管的強度(見圖6)。為了保證焊接質(zhì)量，升氣管節(jié)與節(jié)之間采用手工氬弧焊。同時,為了檢修方便，在升氣管底盤處增加一個可拆卸方形人孔。

2.3 機械過濾器安裝改進

針對檢修情況對機械過濾器濾芯固定方式進

圖6 新設計的升氣管

行了改進：通過車床加工，減少端蓋厚度2 mm，以增加端蓋插入濾芯的深度，防止端蓋與濾芯脫開；在端蓋與壓板之間增加1個固定螺母，加強端蓋與濾芯的固定強度(見圖7)。

圖7 濾芯固定結(jié)構(gòu)對比

2.4 改進貧液泵15P001A入口管線振動

針對檢修情況對貧液泵15P001A入口管線進行了改進[4]：拆除貧液泵15P001A入出口相連管線及保溫層；切割泵入出口及相關影響泵法蘭連接的其他管口，使貧液泵及相關管線處于自由狀態(tài)；檢查連接法蘭并找正，檢查、調(diào)整各地腳螺栓使之受力均勻；根據(jù)泵相關管線各管道支撐的受力情況，調(diào)整泵進口及相關管線的焊接位置，在找平找正的過程中，減小泵入出口與泵相關管線之間的空間偏差，使泵入出口及相關影響法蘭連接的其他管口在自由、無應力狀態(tài)下組對焊接，消除此前運行中的振動。調(diào)整各泵相關管道支撐架后，經(jīng)檢驗:各管道支撐受力均勻，法蘭螺栓不需借助外力均可自由穿入；法蘭緊固過程中，泵體百分表監(jiān)控結(jié)果合格，泵體及相關管線受力狀態(tài)符合要求。

3 改造效果

(1) 安裝產(chǎn)品冷卻器15-E007后，MDEA脫碳氣出口平均溫度較安裝前下降了5.2 K，且最高溫度只有34.3 ℃，受環(huán)境溫度影響的波動較小，但受循環(huán)冷卻水溫度的影響較大(見表1)。同時，由于安裝了產(chǎn)品冷卻器15-E007,原脫碳出口排水導淋帶水量變少。

表1 脫碳出口天然氣溫度數(shù)據(jù)表 ℃

15-F002分離器底部液位調(diào)節(jié)閥開度由大修前平均28.8%增加到43.2%(同時期對比,見表2)，說明15-F002分離器可使分離水量增加，相應的出口氣帶水量減少。

表2 脫碳15-F002分離器液位控制閥開度 %

(2) 再生塔中部升氣管共有16個，因其中2個變形不嚴重更換了另外14個。2020年6月大修，打開設備發(fā)現(xiàn)升氣管未變形。在實際生產(chǎn)中提升了再生塔運行效率，提高了溶液再生度，貧液中CO2殘余量減少了20%，降低了貧液腐蝕性，對系統(tǒng)設備的安全性產(chǎn)生了積極的影響。

(3) 2019年1月更換機械過濾器濾芯時，未發(fā)現(xiàn)濾芯端蓋發(fā)生錯位、橡膠墊片被擠出的現(xiàn)象，從根本上解決了機械過濾器失效的問題。

(4) 有效降低了貧液泵15P001A入口管線的振動，為裝置的長周期穩(wěn)定生產(chǎn)打下了良好基礎，也為其他同類型設備的管理提供了參考。

4 結(jié)語

針對目前脫碳系統(tǒng)改進所采取的措施，很大程度上改善了系統(tǒng)的運行狀態(tài)，延長了運行周期，但仍存在貧液式換熱器結(jié)垢嚴重、循環(huán)水過濾器堵塞、胺液污染等問題，值得進一步關注。